摘要：研究人员设计了一种液体氢存储和输送系统，可以帮助使零排放航空成为现实。他们的工作概述了一个可扩展的集成系统，该系统通过使氢被用作干净的燃料，并用作电动机上关键电力系统的内置冷却介质，立即解决了几个工程挑战。...

FAMU-FSU工程学院的研究人员设计了一种液体氢的存储和输送系统，可以帮助使零排放航空成为现实。他们的工作概述了一个可扩展的集成系统，该系统通过使氢被用作干净的燃料，并用作电动机上关键电力系统的内置冷却介质，立即解决了几个工程挑战。

该研究发表在应用能量，引入了针对100名乘客混合动力飞机量身定制的设计，该飞机从氢燃料电池和氢涡轮驱动的超导发电机中汲取了动力。它显示了如何有效地存储液态氢，安全地转移并用于冷却关键的机载系统 - 同时在各种飞行阶段（如起飞，巡航和着陆）中支持电力需求。

“我们的目标是创建一个处理多个关键任务的单个系统：燃料存储，冷却和交付控制，”该研究的机械工程系教授韦郭说。 “这种设计为现实世界氢气系统奠定了基础。”

氢被视为一种有前途的航空燃料，因为它每公斤的能量比喷气燃料多，并且没有排放二氧化碳。但这也少得多，这意味着它会占用更多的空间，除非在-253°C下以超冷的液体储存。

为了应对这一挑战，团队进行了全面的系统级优化，以设计低温坦克及其相关子系统。他们不只是专注于储罐，而是定义了一个新的重量指数，该指数是燃料质量与完整燃料系统的比率。它们的指数包括氢燃料，水箱结构，绝缘，热交换器，循环设备和工作流体的质量。

通过反复调整关键设计参数，例如通风压力和热交换器尺寸，他们确定了相对于总系统质量而产生的最大燃料质量的配置。所得的最佳配置达到了0.62的重量指数，这意味着系统总重量的62％是可用的氢燃料，与传统设计相比，这是显着改善。

系统的另一个关键功能是热管理。该设计没有安装单独的冷却系统，而是通过一系列热交换器将超冷氢驶离，这些热交换器从船上组件中除去浪费热量，例如超导发电机，电动机，电缆和电源电子设备。当氢吸收这种热量时，温度逐渐上升，这是必要的过程，因为必须在进入燃料电池和涡轮机之前对氢进行预热。

在整个飞机上输送液体氢会提出自己的挑战。机械泵增加了重量和复杂性，并可能在低温条件下引入不良的热量或风险故障。为了避免这些问题，团队开发了一个无泵的系统，该系统使用储罐压力来控制氢燃料的流动。

使用两种方法调节压力：从标准的高压缸中注入氢气，以增加压力和排气氢气以减少其。反馈循环将压力传感器连接到飞机的电源需求轮廓，从而实现储罐压力的实时调整，以确保在所有飞行相位上的正确氢气流量。模拟表明，它可以以每秒0.25公斤的速度输送氢，足以满足起飞或紧急情况下的16.2兆瓦电气需求。

热交换器以分期序列排列。随着氢流经系统的流动，它首先冷却在低温温度（例如高温超导发电机和电缆）下运行的高效效率。然后，它从高温组件中吸收热量，包括电动机，电动机驱动器和电力电子设备。最后，在到达燃料电池之前，将预热以与最佳的燃料电池入口条件相匹配。

这种分阶段的热整合使液体氢可以用作冷却剂和燃料，从而最大程度地提高系统效率，同时最大程度地减少硬件复杂性。

Guo说：“以前，人们不确定如何在飞机中有效移动液体氢，以及您是否也可以使用它来冷却电源系统组件。” “我们不仅证明了这是可行的，而且还证明您需要对这种设计进行系统级优化。”

未来的步骤

尽管这项研究的重点是设计优化和系统模拟，但下一阶段将涉及实验验证。郭和他的团队计划在FSU的高级电力系统中心建立原型系统并进行测试。

该项目是NASA集成的零排放航空计划的一部分，该计划汇集了美国各地的机构，以开发一套完整的清洁航空技术。合作伙伴大学包括佐治亚理工学院，伊利诺伊理工学院，田纳西大学和布法罗大学。 FSU领导着氢存储，热管理和电源系统设计的努力。

在FSU，主要贡献者包括研究生Parmit S. Virdi；教授兰斯·库利（Lance Cooley），胡安·奥隆斯（Juanordóñez），李·李（Hui Li），萨斯特里·帕米迪（Sastry Pamidi）；以及其他领域的低温，超导和电力系统专家。

该项目得到了NASA的支持，作为该组织大学领导力倡议的一部分，该计划为美国大学提供了一个获得NASA资金的机会，并带领了建立自己的团队，并以支持和补充该机构的Aeronautics Research Inspeion Simes董事会及其战略实施计划的目标，并为自己的研究议程设定了自己的研究议程。

Guo的研究是在由国家科学基金会和佛罗里达州支持的FSU总部国家高磁场实验室进行的。